PCVR在建筑类专业课程资源构建中的研究

林志维



PCVR在建筑类专业课程资源构建中的研究

林志维

（漳州职业技术学院 现代教育技术中心, 福建 漳州 363000）

利用VR技术开发建筑类课程学习资源，探索虚拟现实技术在建筑类专业课程的应用，目的是为学习者提供临境的学习环境、更加形象、具体的学习内容，从而增强学习的趣味性、主动性、积极性，进而提高课程教学质量。

PCVR；课程资源；VRML

1 引 言

建筑专业课程中，有不少内容要求学生具备较强的空间想象和构思能力，如建筑构图、房屋构造、建筑制图、居住建筑设计、室内设计、城市规划原理与设计、建筑施工、测量学、城市雕塑、建筑设备等课程。这些课程既有理论，又有较强实践性，如建筑制图课程要求学习者能由物画图、由图想物，在平面与三维立体之间相互转化。传统教学为了让学生理解平面和空间的结构转变，达到更好的教学效果，教师必须花费大量的时间和精力制作模型、寻找挂图等，尽管如此，教学效果仍不容乐观，良好的空间思维能力不是一蹴而就的[1]。

随着虚拟现实技术在现代社会深入而广泛的应用，不少专家、学者正致力于研究构建基于桌面虚拟现实技术的课程资源[2]。实践证明，桌面虚拟现实技术在课程教学中的应用对学生的形象思维能力、观察能力和知识应用能力的培养有着良好地辅助作用，它为学习者提供一个良好的学习环境，将促进学习者更加深刻全面地理解并掌握知识。

2 PCVR概述及其在教育教学中的应用

2.1 PCVR概述

桌面虚拟现实技术简称PCVR，是一种基于普通个人电脑平台的小型桌面虚拟现实系统。利用个人计算机或PC工作站去产生仿真，参与者坐在显示器前就可以通过计算机屏幕全方位观察虚拟场景内的对象。虚拟现实技术包含三个特征，即：沉浸感、交互性、构想性[3]。

2.2 PCVR在教学领域的应用

PCVR在教学领域的应用主要体现在以下四个方面：知识学习、探索学习、虚拟实验、技能训练[4]。

（1）知识学习

PCVR可以为学习者创设合适的学习情境。它为学习者提供了生动的、逼真的感性材料，让教学问题变得具体形象，使得抽象的概念形象化、理论直观化，让学习者充满感性和冲击力，有助于满足学习者内部需要、激发学习动机，有助于促进学生对抽象事物的理解、想象和创新。

（2）探索学习

探索学习是指在虚拟现实系统中，学生根据自己假设，通过虚拟环境对这一假设模型进行虚拟，学生可以直观观察到这一假设所产生的结果或效果。

（3）虚拟实验

在学习过程中，有些实验或操作是带有危险性的，可能危害人体健康甚至威胁人的生命，但利用虚拟现实技术做实验可以避免各类危险。虚拟实验指创建一个虚拟实验环境，该环境能为某项实验提供所需的所有虚拟资源，学习者可以亲自操作各种危险性高的实验或教学训练活动，这可以避免真实实验操作可能带来的各种危险。

（4）技能训练

技能训练是指利用虚拟现实的特点——沉浸性、交互性、多感知性，为学习者提供一定程度上身临其境的技能训练环境。对于一些比较复杂或者危险的技能训练，学习者可以不受实验空间、经费支持、教学时长等原因的限制反复训练，直到熟练掌握操作技能。如飞行员的驾驶训练，利用桌面虚拟现实技术可以避免因操作失误所带来的机毁人亡的严重事故。

由此可见，虚拟现实技术的应用，打破了时间和空间上对教学的限制，对于实现职业技术教育、素质教育、远程教育、终身教育都具有十分重要的意义。

3 基于PCVR课程资源的构建

由于课程的资源内容丰富，受篇幅所限本文重点研究基于桌面虚拟现实的课程资源构建。

3.1 构建依据——教学设计

在构建基于PCVR的课程资源中，核心是要突出学习资源和学习过程，事先需设计好教与学的整个过程，即教学设计。教学设计是通过对学习资源和学习过程做的系统安排来实现创设各种有效的教学系统，目的在于促进学习者的学习。

基于PCVR课程资源构建可分为五个阶段——分析、设计、开发、实施和维护。“分析阶段”主要从优化课程教学方法，提高学习效率，对该门课程资源构建进行可行性分析，客观分析基于PCVR的课程资源是否满足学习者的需求。 “设计阶段”一般分两步走：一是对课程学习资源的整体设计；二是就学习进程进行分块详细设计，依据事先设定的详细方案对课程学习资源进行设计、制作、调试、修改，将设计方案变成具体可操作的行动指南。“开发阶段”是对课程资源 “设计阶段”具体执行过程。“实施阶段”是对课程学习资源进行全面检测、形成性评价，并提供各种学习支持服务。“维护阶段”是针对教师和学生反馈信息，对构建好的课程资源做出不断更新、优化甚至修改。

借鉴基于建构主义的教学设计模式，就具体的基于PCVR课程资源构建流程如图1所示。

3.2 构建工具——VRML

为实现课程资源的网络共享，我们依托课程学习网站或网络教学平台，将各种课程学习资源发布至网络空间，构建一个基于网络的虚拟现实学习环境。根据虚拟现实和网络的特点，笔者选择VRML作为课程资源构建的主要工具。

VRML———Virtual Reality Modeling Language，即虚拟现实建模语言，这种语言它能在浏览器上运行，与HTML语言类似，可以创建文字、图形图像等多种媒体，它直接用代码描述三维实体，并以最小单位“帧”的视频图像进行传输，生成小容量的 WRL 文件适合在网络各种平台上传输。用户使用方便，只需在本地安装VRML浏览器即可访问和执行相关操作。VRML语法结构简单，界面友好，交互性较强，因而VRML的被广泛运用在3W网络上。VRML的出现改变了二维世界的网络，从此走向三维立体网络。

在课程资源构建过程中，VRML能完成各种对象的建模、动画设置、交互控件的设置、页面设置等。在实践中，笔者先使用3DS max完成虚拟场景的模型建构，再将3DS max文件转换生成VRML能识别的wrl文件，最后将wrl文件导入到VrmlPad软件中，通过编译虚拟现实建模语言（VRML）添加其它对象完善场景设置，如添加控件来控制场景变化，为所构建的课程资源提供友好的交互界面。

图1 课程资源构建流程[5]

3.3 构建内容——学习情境

基于PCVR构建的课程资源是能为学习者提供有利于知识的意义建构的虚拟场景，即学习情境。其具体构建内容有三维模型、动画设计、交互设计、人机友好界面等。

三维模型是指利用计算机软件绘制的模型，它是虚构的物体，理论上任何自然界的物品都可以用三维模型表示。三维模型为课程资源提供学习情境所需虚拟场景，主要包括虚拟环境和场景对象。如要认知某一建筑的构造，在课程资源所提供的虚拟环境中，学习者可以从场景的任何角度、方向观察建筑对象，为学习者提供形象、直观的体验。

动画设计包括二维动画设计和三维动画设计，主要根据学习内容的表现需要来选择。动画设计要符合认知一般规律，目的是要促进学习者掌握知识。在建筑专业的一些课程中，二维动画常用于表达空间二维图线的关系，三维动画常用在演示复杂形体视图的转换过程。要求掌握动画制作的技巧，实际操作中可以根据场景对象的特征、背景的变换、动作的速率、运动的轨迹等来表现学习内容。在三维动画中，有些动画技巧可以用来表示模型的创建、材质的演变以及一些特殊效果的处理，如波纹可以用来表现声波传输的效果等。

交互设计是人与机器或系统之间互动关系的设计。在课程资源中，交互是指学习者与虚拟场景的对话，在虚拟场景中设置某些控件用以操控虚拟场景或场景的某些对象。用户通过输入设备，如鼠标、键盘等工具来操控场景内的控件，实习人与机器的交流互动。

人机友好界面是指人与机器之间信息交换的界面。界面设计应尽可能起到引导学习者进行深入探索学习的作用，要求界面美观、形象、生动，具体表现在对场景的颜色搭配、整体结构布局、内容显示的次序，还包括必要的控件、按钮或文字、声音提示等。简言之，能体现以学习者为中心，以逻辑顺序、面向对象为原则，具有一致性的界面。

4 基于PCVR课程资源构建实例

在工程图样学习过程中，对一些较复杂的建筑形体，学习者一时很难准确理解到位。借助基于PCVR的课程资源，将学习者引入到虚拟场景中，“亲身体验”学习内容，为学习者提供形象直观的感性认识，将促进其对知识的理解并上升为理性认识。

本节将以《建筑制图》中剖面图的形成过程为例，介绍该节课程资源的构建过程。笔者根据剖面图的形成特点，利用3DS max、VRML工具，先构建虚拟环境及场景所需的模型对象，再对场景内的对象设置动画，最后设计场景的界面及交互控件。

4.1 构建模型

在3DS max场景中创建建筑模型，借助材质编辑器为场景内的模型对象赋予材质并为场景添加灯光，为使得场景显示更为逼真，可选择VR渲染器添加材质。

4.2 设计动画

为形象地表现剖面图的演化过程，首先从不同方向、视角观察建筑物整体结构。通过在场景中添加摄像机并设置动画实现对建筑形体的全方位观察。如在场景中添加摄像机camera01，并围绕建筑对象设置一环绕路径，对camera01使用路径约束并对动画轨迹进行设置，实现对建筑的环绕观察。其次，设置一平面动画，该平面将剖开建筑对象为两部分并移除其一，剩余建筑形体将旋转至与投影平面平行位置并在投影平面上形成投影。

4.3 设计界面及交互控件

将已完成的虚拟场景，即3DSmax文件输出为wrl文件，并导入到VrmlPad软件进行编译，也可通过记事本打开VRML文件编译。为场景设置美观的界面、合理流畅的动画、控制按钮等来完善课程资源。

部分源代码如下：

① 创建场景背景：（场景背景默认为黑色）

Background {sky Color 0.7 0.8 0.8}

② 选择摄像机的视点、移动的位置、取向、视野显示的范围

DEF Camera01 Viewpoint { position 126.9 145.1 141.4 orientation 0.4003 0.9066 0.1338 -0.7066 fieldOfView 0.8108 description "Camera01"}

③ 设置摄像机循环，每个周期为10S

DEF Camera01-TIMER TimeSensor { loop TRUE cycleInterval 10 },

DEF Camera01-POS-INTERP PositionInterpolator

④ 设置点光源01、02

DEF Omni01 PointLight {

intensity 0.7 color 1 1 1 location -2.444 212.8 -455.7 on TRUE radius 1499}

DEF Omni02 PointLight { intensity 0.8 color 1 1 1 location 985.1 212.8 -293.2 on TRUE

radius 1499 }

⑤ 设置灯光01、02、03的事件传递

ROUTE Omni01-TIMER.fraction_changed TO Omni01-POS-INTERP.set_fraction

ROUTE Omni01-POS-INTERP.value_changed TO Omni01.set_translation

⑥ 设置模型03改变、转换

DEF __03 Transform { translation 372.1 38.88 -124.6

children [ DEF __02 Transform { translation -6.104e-005 41.82 1.526e-005

children [ Shape { appearance Appearance {

material Material { diffuseColor 0.8039 0.7725 0.6 ambientIntensity 1.0

specularColor 0 0 0 shininess 0.145 transparency 0 } } }

⑦ 定义轨迹01的转换

DEF Line01 Transform {

translation 465.6 145.1 -166.7

children [ DEF Line01-TIMER TimeSensor { loop TRUE cycleInterval 3.333 }, ] }

⑧ 创建控件按钮，插入分割模型

Transform { children [ Shape { appearance Appearance { texture ImageTexture { url "图片地址" } }#这里填入渲染的模型。 } ] }

将构建完整的“剖面图形成”wrl文件（如图2）在网络上发布，供学生学习与教师授课使用。借助基于PCVR的课程资源，将学习者引入到虚拟场景中，“亲身体验”建筑形体构造，通过动画控制移除所剖切的部分，演示观察剩余的部分形体向投影面投影所得的图形。以此帮助学习者对剖面图形成过程的认识，使得学习者对知识的理解更加全面深刻。在使用过程中要注重收集教师与学生的反馈意见，反思在设计制作过程中的不足，并加以改进完善课程资源。

图2 剖面图形成

5 总 结

通过实践，笔者认为在一些建筑专业的课程教学过程中，利用PCVR构建的虚拟场景课程学习资源，给学习者提供“亲身体验”的学习内容，使得学习者能更加深刻理解并掌握知识，对学习者的综合能力培养大有裨益；同时教师在授课过程中利用该资源，其综合运用多种媒体这种新的教学模式，将大大提高课堂教学效率，在提升教学质量发挥着极其重要的作用。

[1] 汪成为.灵境技术与人机和谐仿真环境[J].计算机研究与发展，1999（1）：1-12.

[2] 周颖.面向安全意识培训的典型道路交通情景设计与实现[D].武汉:武汉理工大学，2011.

[3] 支建庄，赵庆岚，杨传鹏.基于 Virtools 的新装备虚拟教学系统的设计与开发[J].计算机与网络，2010（16）：227.

[4] 贾晶晶.桌面虚拟现实技术在教育中的应用[J].软件导刊，2008（8）：83-85.

[5] 余胜泉，杨晓娟，何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究，2000（12）：7-13.

PCVR the construction of specialized curriculum resources in construction in the class Application Research

LIN Zhi-wei

(Zhangzhou Institute OF Technology,Zhangzhou,Fujian,363000,China)

In this paper, using VR technology to develop the construction courses of learning resources, the exploration and application of virtual reality technology in the construction of courses, the purpose is to provide immersive learning environment for the learners, more vivid, specific learning content, to enhance the learning interest, initiative, enthusiasm, and improve teaching quality.

PCVR;Curriculum resources;VRML

G718.5

A

1673-1417（2014）03-0060-06

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2014.03.0013

2014－08－10

林志维（1983－），男，福建莆田人，助教，硕士，研究方向：现代教育技术。

（责任编辑：季平）